SKRIPSI

KETEL UAP

ANALISA PERANCANGAN HEAT RECOVERY STEAM GENERATOR

DENGAN MENGGUNAKAN TEKANAN UAP SATU TINGKAT

KAPASITAS 252 TON UAP/JAM

OLEH :

NIM : 07 0421 001 JASRAN HUTAGALUNG

PROGRAM PENDIDIKAN SARJANA EKSTENSI

DEPARTEMEN TEKNIK MESIN

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SUMATERA UTARA

MEDAN

2009

KATA PENGANTAR

Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas

berkat dan kasih-Nya penulis dapat menyelesaikan tugas sarjana ini. Tugas sarjana

ini merupakan syarat dalam memperoleh gelar sarjana di Departemen Teknik

Mesin Universitas Sumatera Utara.

Tugas sarjana ini diambil dari bidang mata kuliah Ketel Uap dengan judul

“ Analisa Perancangan Heat Recovery Steam Generator dengan menggunakan

tekanan uap satu tingkat kapasitas 252 ton uap/jam”. Dengan memanfaatkan gas

buang dari satu unit turbin gas temperatur 525 oC.

Dalam penyelesaian tugas sarjana ini, penulis mendapat banyak bimbingan

dan dukungan dari dosen pembimbing bapak Ir. Tekad Sitepu dan teman – teman

di Departemen Teknik Mesin Ekstensi Universitas Sumatera Utara, baik berupa

saran dan nasehat serta ilmu pengetahuan.

Dalam kesempatan ini, penulis ingin mengucapkan terima kasih yang

sebesar – besarnya kepada :

1. Bapak Ir. Tekad Sitepu, sebagai dosen pembimbing yang telah

meluangkan banyak waktu serta menyumbangkan ilmu dan nasehat

kepada penulis sepanjang pengerjaan tugas sarjana ini hingga selesai.

2. Bapak Dr. Ing. Ir. Ikhwansyah Isranuri, sebagai Ketua Departemen Teknik

Mesin Falkutas Teknik Universitas Sumatera Utara.

3. Bapak/Ibu dosen di Departemen Teknik Mesin Falkutas Teknik

Universitas Sumatera Utara yang telah mendidik penulis selama kuliah.

4. Bapak/Ibu staff pegawai yang banayk membantu penulis selama kuliah di

Departemen Teknik Mesin Falkutas Teknik Universitas Sumatera Utara.

5. Kedua orang tua tercinta Ayahanda J. Hutagalung dan Ibunda M. br.

Silitonga yang telah berjuang untuk membimbing dan memberi yang

terbaik buat penulis.

6. Adik – adik penulis; Nova Adelina Hutagalung, A.mK, Rohani

Hutagalung, S.Pd dan Daniel Harianto Hutagalung yang telah mendukung

penulis.

7. Rekan – rekan mahasiswa di teknik mesin: Joni, Frangky, Roni,

B’Rahmad, B’Desmond, B’Ramces dan semua teman – teman ekstensi

St’07 dan St’08 yang telah banyak mendukung dan membantu penulis

selama perkuliahan maupun dalam penyelesaian tugas sarjana ini.

Penulis menyadari tugas sarjana ini masih jauh dari sempurna, oleh karena

itu penulis mengharapkan saran dan kritik yang membangun dari pembaca dalam

penyempurnaan tugas sarjana ini. Akhir kata penulis berharap semoga tugas

sarjana ini dapat berguna bagi pembaca. Terima kasih.

Medan, Desember 2009

Penulis,

NIM: 07 0421 001

Jasran Hutagalung

DAFTAR ISI

KATA PENGANTAR .................................................................................. i

DAFTAR ISI ................................................................................................ iii

DAFTAR NOTASI....................................................................................... vii

DAFTAR GAMBAR ..................................................................................... x

BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang ........................................................................... 1

1.2. Permasalahan .............................................................................. 2

1.3. Pemilihan Judul Tugas Akhir ...................................................... 3

1.4. Tujuan Tugas Akhir .................................................................... 3

1.5. Manfaat Tugas Akhir .................................................................. 3

1.6. Batasan Masalah ......................................................................... 3

1.7. Metodologi Penulisan ................................................................. 4

BAB II TINJAUAN PUSTAKA

2.1. Heat Recovery Steam Generator ................................................ 5

2.2. Bagian - Bagian HRSG .............................................................. 9

2.2.1. Superheater ...................................................................... 9

2.2.2. Evaporator ....................................................................... 9

2.2.3. Ekonomiser ..................................................................... 10

2.2.4. Preheater ......................................................................... 11

2.3. Hukum Pertama Termodinamika .............................................. 11

2.3.1. Hukum termodinamika untuk sistem tertutup .................. 12

2.3.2. Hukum termodinamika untuk sistem terbuka ................... 12

2.4. Perpindahan Kalor .................................................................... 13

2.4.1. Perpindahan Kalor Konduksi ........................................... 14

2.4.2. Perpindahan Kalor Konveksi ........................................... 14

2.4.2.1. Konveksi Bebas .................................................. 15

2.4.2.2. Konveksi Paksa .................................................. 16

2.4.3. Kombinasi Konduksi dan Konveksi ................................ 17

2.4.4. Alat Penukar kalor .......................................................... 18

2.5. Aliran Fluida dalam Pipa .......................................................... 20

2.6. Turbin ...................................................................................... 21

2.6.1 Sistem Turbin Uap ........................................................... 22

2.6.2 Sistem Turbin Gas ............................................................ 24

BAB III ANALISA THERMODINAMIKA

3.1. Spesifikasi Teknis Perancangan ................................................ 28

3.2. Perhitungan Termodinamika turbin Gas .................................... 28

3.2.1. Kompresor ...................................................................... 30

3.2.2. Turbin Gas ...................................................................... 31

3.3. Parameter Analisa Perencanaan ................................................ 35

3.3.1. Perhitungan Uap ............................................................. 36

3.4. Kesetimbangan Energi .............................................................. 44

3.4.1. Superheater ..................................................................... 46

3.4.2. Evaporator ...................................................................... 47

3.4.3. Ekonomiser ..................................................................... 48

3.4.4. Condensate Preheater ...................................................... 49

3.5. Spesifikasi HRSG yang akan direncanakan ............................... 50

3.6. Daya yang dibangkitkan HRSG ................................................ 51

BAB IV UKURAN – UKURAN UTAMA

4.1. Perhitungan Parameter pipa Superheater ................................... 53

4.1.1. Koefisien Perpindahan Panas di Dalam Pipa (hi) ............. 57

4.1.2. Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa (ho) .................... 60

4.1.3. Pemilihan Pipa Superheater ............................................. 69

4.1.4. Efisiensi dan Efektifitas Sirip pada Pipa Superheater....... 70

4.1.5. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh ........................... 73

4.1.6. Luas Bidang Pindahan Panas........................................... 73

4.2. Perhitungan Parameter Pipa Evaporator .................................... 76

4.2.1. Koefisien perpindahan Panas di dalam Pipa (hi) .............. 80

4.2.2. Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa (ho) .................... 83

4.2.3. Pemilihan Pipa Evaporator .............................................. 90

4.2.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip pada Pipa Evaporator ....... 92

4.2.5. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh ........................... 95

4.2.6. Luas Bidang Pindahan Panas........................................... 96

4.3. Perhitungan Parameter Pipa Ekonomiser................................... 97

4.3.1. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa (hi) ............. 100

4.3.2. Koefisien Pindahan Panas di Luar Pipa (ho) ................... 102

4.3.3. Pemilihan Pipa Ekonomiser ........................................... 110

4.3.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip pada Pipa Ekonomiser ..... 110

4.3.5. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh .......................... 113

4.3.6. Luas Bidang Pindahan Panas.......................................... 114

4.4. Perhitungan Parameter Pipa Preheater ...................................... 116

4.4.1. Koefisien Perpindahan Panas di dalam Pipa (hi) ............. 119

4.4.2. Koefisien Pindahan Panas di Luar pipa (ho) ................... 122

4.4.3. Pemilihan Pipa preheater ................................................ 129

4.4.4. Efisiensi dan Efektivitas Sirip pada Pipa Preheater ......... 130

4.4.5. Koefisien Pindahan Panas Menyeluruh........................... 134

4.4.6. Luas Bidang Pindahan Panas.......................................... 134

4.5. Perhitungan Luas Penampang HRSG ....................................... 137

4.6. Cerobong Asap (chimney) HRSG ............................................ 138

4.7. Efisiensi HRSG ....................................................................... 139

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan ............................................................................. 140

5.2. Saran ...................................................................................... 144

DAFTAR PUSTAKA .................................................................................. 145

DAFTAR NOTASI

Notasi Arti Satuan

A Luas permukaan perpindahan panas m2

Ac Luas penampang bagian dalam m2

Af Luas permukaan sirip m2

Ap Luas permukaan sirip primer m2

Ah Luas total permukaan yang menyerap panas m2

Aa Luas penampang aliran m2

Di Diameter dalam pipa m (in)

Do Diameter luar pipa m (in)

Dh

DN

Diameter hidrolik

Diameter Nominal

m

in

h Entalphi kJ/kg

hi Koefisien konveksi bagian dalam pipa W/m2oC

ho Koefisien konveksi bagian luar pipa W/m2oC

k Konduktivitas thermal W/m oC

1

lf

Panjang sirip

Jarak dua buah pipa

m

m

L

LMTD

Panjang pipa

Beda suhu Rata-Rata Logaritma

m

oC

mg Laju aliran massa gas buang kg/s

mu Laju aliran massa uap kg/s

n Jumlah pipa dalam satu baris

N Jumlah lintasan

Nu Bilangan Nusselt

Nf Jumlah sirip per batang pipa

p Tekanan bar

Pr Bilangan Prandtl

Q Laju perpindahan panas kJ/s

QSH Laju perpindahan panas yang diserap superheater kJ/s

QEVA Laju perpindahan panas yang diserap evaporator kJ/s

QECO Laju perpindahan panas yang diserap ekonomiser kJ/s

QEVA Laju perpindahan panas yang diserap evaporator kJ/s

QECO Laju perpindahan panas yang diserap ekonomiser kJ/s

QPRE Laju perpindahan panas yang diserap preheater kJ/s

QSH Laju perpindahan panas yang diserap superheater kJ/s

Re Bilangan Reynold

re Jari-jari luar pipa bersirip m

ro

ri

rp

Jari-jari luar pipa

Jari-jari dalam pipa

Rasio Tekanan

m

m

S Tegangan tarik ijin Psia

SL Jarak longitudinal dua buah pipa m

ST

SD

Jarak tranversal dua buah pipa

Jarak Diagonal

m

m

t Tebal pipa m

T Temperatur oC

Tg Temperatur gas buang oC

Tmin Beda suhu minimum oC

Tmax Beda suhu maximum oC

U Koefisien perpindahan panas total W/m2 oC

V Kecepatan m/s

Vmax

δ

Kecepatan maximum

Tebal Sirip

m/s

m

η f Effisiensi sirip %

η O Effektifitas sirip

η HRSG Effisiensi HRSG %

µ Viskositas dinamik fluida kg/m.s

ρ Massa jenis fluida kg/ m3

υ Volume jenis fluida m3/ kg

DAFTAR GAMBAR

Gambar Nama Gambar Halaman

2.1 Pusat listrik tenaga gas dan uap (PLTGU) 5

2.2 Diagram PLTGU dengan HRSG single pressure 6

2.3 Diagram T–S PLTGU 7

2.4 Diagram Alir HRSG 8

2.5 Superheater dan Evaporator pada HRSG 10

2.6 Susunan pipa ekonomiser dan evaporator 11

2.7 Perpindahan panas pada bidang datar 17

2.8 Perpindahan kalor pada heat exchanger 19

2.9 Siklus Rankine 23

2.10

2.11

2.12

Diagram T – S Turbin Uap

Siklus Brayton Open Cycle

Diagram T-S siklus Turbin Gas

23

25

26

3.1 Diagram Alir Turbin Gas 29

3.2 Diagram T – s 29

3.3 Profil Diagram Temperatur Gas Turbin 36

3.4 Siklus Perencanaan HRSG 38

3.5 Perbandingan tekanan kondensor pada diagram h-s 39

3.6 Siklus Rankine yang direncanakan 41

3.7

3.8

Diagram analisa kesetimbangan energi

Diagram Instalasi Gabungan HRSG

45

52

4.1 Sket Aliran Uap dan Gas Buang pada Superheater 54

4.2 Sketsa Rancangan Pipa-pipa Superheater 57

4.3 Susunan pipa Selang-Seling Superheater 60

4.4 Penampang Pipa Bersirip 65

4.5 Grafik Effisiensi Sirip pada pipa superheater 70

4.6 Grafik faktor koreksi pada pipa superheater 74

4.7 Sket aliran uap dan gas buang pada evaporator 76

4.8 Evaporator yang direncanakan 79

4.9 Evaporator dengan drum uap 80

4.10 Susunan pipa selang seling pada evaporator 83

4.11 Grafik efisiensi sirip pada pipa evaporator 92

4.12 Sket aliran uap dan gas buang pada ekonomiser 98

4.13 Susunan pipa selang seling ekonomiser 103

4.14 Grafik efisiensi sirip pada pipa ekonomiser 111

4.15 Grafik faktor koreksi pada pipa ekonomiser 114

4.16

4.17

4.18

4.19

Sket aliran uap dan gas buang pada preheater

Susunan pipa selang seling preheater

Grafik efisiensi sirip pada pipa preheater

Grafik faktor koreksi pada pipa preheater

117

122

131

135